Влияние электромагнитных полей на фазовый состав и структуру жидко-твердых сплавов с различной проводимостью твердых включений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Афашоков, Владимир Зейтунович

• Афашоков, Владимир Зейтунович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Афашоков, Владимир Зейтунович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЖИДКО-ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.

1.1. О жидко-твердом состоянии сплавов.

1.2. Электроперенос в металлах и сплавах.

1.3. Обзор исследований влияния постоянного электрического тока на включения вторых фаз в двухфазных сплавах.

Выводы из главы I.

ГЛАВА II. ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ФАЗООБРАЗОВАНИЕ В СПЛАВАХ, НАХОДЯЩИХСЯ В ЖИДКО-ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ.

2.1. Методика изучения влияния постоянного электрического тока на фазообразование в жидко-твердых сплавах.

2.2. Фазообразование в жидко-твердых сплавах системы Bi-Cd под действием постоянного электрического тока.

2.3. Электроперенос и фазообразование в жидко-твердых сплавах Bi-In, Bi-Pb, Bi-Sn, Pb-Sn.

2.4. Влияние постоянного электрического тока на микроструктуру сплавов бинарных систем In-Ge и In-Ni.

Выводы из главы II.

ГЛАВА III. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МИКРОТВЕРДОСТЬ ИЗУЧАЕМЫХ СПЛАВОВ.

3.1. Методика исследования фазового состава поверхности образцов.

3.2. Исследование микротвердости сплавов систем Bi-In, Bi-Cd.

3.3. Результаты исследования сплавов методом электронно-зондового микроанализа.

3.4. Результаты исследования поверхности сплавов методом рентгеновской дифрактометрии.

Выводы из главы III.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние электромагнитных полей на фазовый состав и структуру жидко-твердых сплавов с различной проводимостью твердых включений»

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия интерес к исследованию и практическому применению сплавов, находящихся в двухфазном состоянии, растет из года в год. Литье и штамповка легких сплавов в жидко-твердом и твердожидком состояниях стали определяющими технологиями в развитии заготовительных производств в мировом автомобилестроении [ 1 ].

Жидко-твердое состояние сплава используется при рафинировании металлических сплавов из их отходов, для изготовления порошков [2], а также припоев используемых при пайке многоточечных неразъемных соединений в микроэлектронике и радиотехнике [3]. В технологии неразъемного соединения деталей широкое применение нашла контактно-реактивная пайка [4-6], в процессе которой некоторые авторы используют именно жидко-твердое состояние сплава [7].

Научная и практическая значимость жидко-твердых (тиксотропных) сплавов вызывает неослабевающий интерес к изучению механизмов процессов, происходящих в них, а также исследованию влияния внешних воздействий на их параметры.

В последние годы ряд исследований был посвящен изучению влияния электрического тока на фазообразование жидко-твердых сплавах [8-15]. Установленные в этих исследованиях закономерности позволили расширить и углубить представления о механизме и кинетике процесса контактного плавления.

Эффективными способами воздействия на металлические расплавы являются пропускание постоянного электрического тока, создающего собственное магнитное поле, и приложение внешнего магнитного поля. В металлургии широко применяются электромагнито-термические методы, основанные на использовании скрещенных электрического и магнитного полей (так называемые МГД-технологии) для транспортировки и обработки расплавов при литье, для очистки жидкого металла от неметаллических включений, при кристаллизации слитка и т.д. [16-19].

Изучению влияния постоянного электрического тока на явления переноса в металлах и сплавах посвящен ряд монографических исследований [20-25]. Отметим, что авторы исследовали электроперенос (ЭП) (иногда употребляют термины "электродиффузия", "электромиграция", "электротранспорт") - явление, заключающееся в возникновении потоков ионов в металлах и полупроводниках при пропускании постоянного электрического тока. Эти работы дали важную информацию о вкладе электронов проводимости в механизм массопереноса; в них разработаны методы нахождения таких характеристик как сечения рассеяния, подвижности и эффективные заряды диффундирующих ионов.

В работах [24,25] впервые был проведен расчет и анализ магнитогидродинамических сил и течений, возникающих при протекании электрического тока через жидкие металлы.

Являясь по сути дела следствиями одного и того же (электромагнитного) воздействия на расплавы, явления, наблюдаемые при пропускании ПЭТ через расплавы, должны в принципе дополнять друг друга. Это обстоятельство особо должно учитываться при исследовании гетерофазных систем типа "жидкость-твердая фаза", где наряду с потоками электропереноса могут возникнуть макротечения жидкости, оказывающие существенное влияние на концентрационное распределение компонентов в расплаве. Кроме того, собственное магнитное поле, индуцируемое электрическим током, может влиять на структуру сплава при его кристаллизации, что будет показано в данной работе.

Управление потоками ионов в металлах и полупроводниках дает возможность для их глубокой очистки от примесей (совместно с зонной перекристаллизацией) [26], концентрирования микропримесей и разделения изотопов [27], выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев металлов, интерметаллических и полупроводниковых соединений [28].

В научной литературе имеется ряд исследований влияния постоянного электрического тока на процессы фазообразования в твердых [29-31] и жидких металлических и полупроводниковых растворах [32-36].

Установленное в работах [32-36] влияние постоянного электрического тока на кинетику фазообразования в сплавах и их структуру, позволяет сделать вывод о перспективности изучения влияния тока и индуцируемого им собственного магнитного поля на процесс контактного плавления в металлических системах.

Одними из первых работ по изучению влияния электропереноса на фазообразование в жидко-твердых сплавах были исследования [12-14].

Последующие исследования в бинарных системах 1п-Ш, РЬ-Ш, С<1-В1, РЬ-8п [8-11] позволили установить ряд закономерностей. Было установлено, что постоянный электрический ток (ПЭТ), в зависимости от его направления, может существенно изменять структуру сплавов.

К настоящему времени практически неизученными остаются вопросы о влиянии ПЭТ на механизм фазообразования в жидко-твердых сплавах, с различным типом проводимости твердых включений.

Таким образом, изучение процессов, происходящих в сплавах находящихся в жидко-твердом состоянии, весьма актуально.

К настоящему времени практически неизученными остаются вопросы о влиянии внешних факторов на механизмы фазообразования в жидко-твердых сплавах с различным типом проводимости твердых включений. Дискуссионным остается вопрос о том, в какой момент при плавлении сплавов (кристаллов) образуются твердоподобные кластеры, обнаруживаемые многими авторами в результате электронно-микроскопических и фотоэлектронных данных. Нет однозначного ответа и на механизм формирования твердых включений в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии. Таким образом, изучение процессов, происходящих в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии, весьма актуально.

Цель работы: установление общих закономерностей влияния электромагнитных полей на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических систем с различной проводимостью твердых включений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние постоянного электрического тока (ПЭТ) на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических системах ВьСё, ВИп, ВьБп, РЬ-8п, ВьРЬ.

2. Изучить температурно-концентрационные и временные изменения в исследуемых объектах как в поле силы тяжести, так и при электромагнитном воздействии.

3. Изучить влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (1п-Сте, 1п-№).

4. Исследовать полученные сплавы методами микротвердости, электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) и рентгеновской дифрактометрии.

Объекты исследования

Объектами исследования являлись бинарные системы: ВьСс1, Вь8п, РЬ-8п, Вь1п, ВьРЬ, 1п-Ое, 1п-№.

Научная новизна

1. Впервые проведены исследования влияния электромагнитных полей на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных металлических систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (1п-ве, 1п-№). Обнаружено изменение структуры образцов, подвергнутых электромагнитной обработке по-сравнению со структурой образца без внешних воздействий.

2. Впервые проведены исследования температурно-концентрационных и временных изменений микроструктуры исследуемых объектов. Установлено значительное влияние электромагнитных полей на структуру и фазовый состав исследованных жидко-твердых сплавов.

3. Впервые проведено исследование фазообразования в жидко-твердых сплавах с переменой полярности тока на образцах. Обнаружено, что в системе Bi-Cd после образования конгломерата на аноде, перемена полярности ведет к значительным изменениям структуры закристаллизованных сплавов.

Практическая значимость

- жидко-твердое состояние сплавов совместно с пропусканием постоянного электрического тока может применяться в практике рафинирования сплавов, очистки от низкопроводящих включений и получения металлических или полупроводниковых (моно-) кристаллов;

- результаты исследований влияния электромагнитных воздействий на жидко-твердые сплавы могут быть использованы для интенсификации процессов плавления (растворения) в процессах пайки и для совершенствования структуры и фазового состава сплавов и зон пайки при неразъемном соединении разнородных материалов.

На защиту выносятся:

- экспериментальное подтверждение предела выполнимости выражения И.М. Лифшица и В.В. Слезова для зависимости роста частиц от времени в жидко-твердых сплавах;

- результаты экспериментов по изучению температурно-концентрационных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов;

- результаты одновременного влияния ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)», п. Эльбрус (2006), I Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2007), IV Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург (2007), I Международном

Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», п. JIoo (2008), TT Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2009), XVI Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (г.Волгоград, 2010), И Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и. поверхностей», п. Лоо (2010), а также на научных конференциях и семинарах физического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета (г. Нальчик, 2006-2011 гг.).

Основные этапы работы составили содержание исследовательских проектов, подтвержденных проектом в рамках программы «УМНИК», а также гранта РФИИ 06-08-96801-рюгофи.

Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также имеющимися литературными данными.

Личный вклад автора. В диссертации приводятся результаты в основном полученные лично автором. Цели и задачи исследования сформулированы научным руководителем проф. A.A. Ахкубековым. Он же принимал участие в выборе объектов исследования, обсуждении результатов; написании статей. Рентгенодифракционные исследования образцов проведены на базе физического факультета ЮФУ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов. Изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 54 рисунка и список литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Афашоков, Владимир Зейтунович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально установлено, что в системах ВьСё, ВьБп, ВьРЬ, Вь1п, РЬ-Бп ПЭТ интенсифицирует процессы растворения частиц с Я<Якр критический размер зародыша) и роста частиц с за счет электродиффузионного переноса ионов расплава.

2. Показано, что выражение Я3(т) = /?03 + к-т, предложенное И.М. Лифшицем и В.В. Слезовым, выполняется до определенной стадии процесса

- начала седиментации. Видимо, это связано с тем, что оно было получено при условии неподвижности частиц.

3. Экспериментальное изучение температурно-концентрационных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов позволяет предположить, что кластеры, подобные микрокристаллам, равновесно существуют в расплавах при температурах близких к ликвидусным.

4. Впервые обнаружено, что для жидко-твердого сплава, содержащего слабопроводящие твердые включения германия (система Тп-Ое), характерной особенностью при пропускании ПЭТ является вытеснение этих включений перпендикулярно оси к периферии образца. Это связано с возникновением сил, обусловленных значительной разностью электропроводностей включения и окружающего его металлического расплава (а0е « о1п).

5. Впервые изучено влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с ферромагнитными твердыми включениями (система 1п-№). Обнаружена зависимость формирования микроструктуры от соотношения направлений ПЭТ и внешнего магнитного поля. Перемещение частиц никеля к аноду позволяет заключить, что эффективный заряд никеля в данном сплаве Z*<0.

6. Электронно-зондовый микроанализ показал, что конгломерат, образующийся при пропускания ПЭТ через сплав В1 + 44 % Сё, является твердым раствором висмута (~1-2 % Сё). Обнаружено, также влияние ПЭТ изменение параметров кристаллических ячеек компонентов сплавов В1 + 44 % Сё и В1 + 30 % Эп.

122

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Афашоков, Владимир Зейтунович, 2011 год

1. Частичное затвердевание для очистки вторичных металлов. Пат. США № 3840364.-1974 // Новые процессы и материалы порошковой* металлургии, под ред. J1.X. Явербаума. - М. Металлургия, 1983. - 360 с.

2. Способ пайки: A.c. №942916: МКл3 В 23 К 1/00'/ О.В. Знаменский, Б.А. Мещанинов, В.И. Рогов, A.A. Ахкубеков.

3. Семенов, Б.И. Производство изделий из металла в твердожидком* состоянии / Б.И. Семенов, K.M. Куштаров. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 223 с.

4. Савинцев, П.А. О применении контактного плавления в процессах пайки / П.А. Савинцев, A.A. Шебзухов, А.Я. Диденко, М.Х. Афаунов // Электронная техника. Сер. Технология и организация производства. — 1970. Вып.3(35). - С. 71-77.

5. Лашко, Н.Ф. Контактно-реактивная пайка и ее возможности / Н.Ф. Лашко, C.B. Лашко, Г.А. Осиновская // Газотермическая резка, сварка, наплавка, управление газами, 1968. Вып.15. — С.99-106.

6. Лашко, Н.Ф. Пайка металлов / Н.Ф. Лашко, C.B. Лашко. — М.: Машиностроение, 1988. 376 с.

7. Афашоков, В.З. Влияние температуры и электрического тока на фазовое состояние в сплаве Bi+69 ат.% In / В.З. Афашоков, A.A. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая. 2008. - Т.72. -№10. - С. 1436-1438.

8. Афашоков, В.З. Фазообразование в жидко—твердых сплавах под действием постоянного электрического тока / В.З. Афашоков, A.A. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов // Известия РАН.

9. Серия физическая. 2009. - Т.73. - №7. - С. 1041-1043.

10. Афашоков, В.З. Влияние состава и постоянного электрического тока на фазообразование в жидко-твердых сплавах системы Bi-Cd / В.З. Афашоков, A.A. Ахкубеков, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая. 2010. - Т. 74. - №5. - С. 717-719.

11. Афашоков, В.З. Влияние постоянного электрического тока на фазообразование в жидко-твердых сплавах системы Pb-Sn. / В.З. Афашоков, A.A. Ахкубеков, М.М. Байсултанов // Известия РАН. Серия физическая. 2011. - Т. 75. - №5. - С. 1-2

12. Ахкубеков, A.A. Структурообразование в жидко-твердых сплавах при наличии электропереноса / A.A. Ахкубеков, С.Н. Ахкубекова, М.М. Байсултанов // Металлургия и образование: Материалы 1-й Международной конференции, Екатеринбург: УГТУ, 2000. С. 19-21.

13. Ахкубеков, A.A. Влияние электропереноса на структурообразование в металлических расплавах / A.A. Ахкубеков, М.М. Байсултанов, П.А. Савинцев // Расплавы. 1992. - №1. - С. 13-18.

14. Верте, JI.A. Электромагнитная разливка и обработка жидкого металла / Верте JI.A. М.: Металлургия, 1967. - 207 с.

15. Дубинин, Э.Л. Влияние электромагнитных сил на удаление неметаллических включений из жидкого железа / Э.Л. Дубинин,

16. O.A. Есин; H.A. Ватолин // Физика металлов и металловедение. — 1962. -Т. 14. — № 6. С.935-937.

17. Абрицка, М.Ю. Об управлении- структурой кристаллизующихся металлов постоянным? магнитным полем / М.Ю. Абрицка, В.Х. Витола, Я;Х. Карклинь и др.// Магнитная гидродинамика. —1976. — №3. — С. 119-124.

18. Гельфгат, Ю.М. Распределение компонентов в расплаве несмешивающихся металлов в скрещенных электромагнитных полях */ Ю.М. Гельфгат, М;3. Соркин, А-.Э; Микельсон // Магнитная гидродинамика. 1977. - №1. - С.121-124.

19. Фикс, Б.В. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос) / Б.В. Фикс. — М.: Наука, 1969; — 296 с.

20. Белащенко, Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках / Д;К. Белащенко. — М.: Атомиздат, 1970. 400 с.

21. Михайлов; В;А. Электроперенос в жидких металлах. Теория и приложения / В;А. Михайлов, Д.Д. Богданова. Новосибирск: Наука, 1978. - 224 с.

22. Кузьменко, П.П. Электроперенос, термоперенос и диффузия в металлах. / П.П. Кузьменко. — Киев: Вища школа, 1983. 151 с.

23. Гельфгат, Ю.М. Жидкий металл под действием электромагнитных сил / Ю.М. Гельфгат, O.A. Лиелаусис, Э.В. Щербинин. Рига: Зинатне, 1976. - 248 с.

24. Бояревич, В.В. Электровихревые течения / BiB. Бояревич, Я.Ж. Фрейберг, Е.И. Шилова, Э.В. Щербинин. Рига: Зинатне, 1985. -315 с.

25. Беляев, А.И. Электроперенос как средство глубокой очистки металлов от примесей / А.И. Беляев // Итоги науки и техники. — М.: ВИНИТИ. 1967. - С.5-19.

26. Лозовой, В.И. Изменение изотопного состава олова и; очистка радиоактивного олова от примеси радиоактивной сурьмы методом электропереноса / В.И. Лозовой, В.И. Штомпель // Электроперенос и его